白巖灘水庫取水建筑物設計淺析

【摘要】隨著近幾年灌區工程的蓬勃發展，樞紐工程中的分層取水建筑物結構型式也是多種多樣。筆者在實際工程設計中接觸了幾類不同類型的分層取水建筑物，從前期設計到施工圖設計，每一種類型的取水建筑物的優缺點不一而足。下面簡要介紹筆者參與的宣漢白巖灘水庫取水建筑物的結構設計及經驗總結。

【關鍵詞】白巖灘；水庫取水；建筑設計

1、工程概況

白巖灘水庫位于四川省達州市宣漢縣峰城和鳳林鄉境內沉水河上，水庫工程開發任務為以灌溉為主。水庫蓄水后，將改變原天然河道水流條件，水溫分層狀態會有明顯變化，水溫將有所降低，水庫低溫水下泄對魚類和農作物灌溉有一定影響，因此采用表層取水的型式。

取水塔選用了圓形取水塔型式，位于庫內，取水流量14m3/s：在取水塔六個方向分別設六個取水孔口，孔口尺寸（寬×高）1.5m×2.1m，高程分別為685.00m，693.00m，701.00m，709.00m，717.00m，724.00m。每個孔口設一扇工作門，一扇攔污柵。圓筒底座為長16.5m，寬11.5m的C20混凝土基礎底座，基礎底座中設一直徑3m的上連進水塔的豎向取水通道，基礎底座中在高程681.00m設斷面3×3m的水平進水通道，水平進水通道頂接豎向取水通道，水平進水通道設取水洞進口事故閘門（3.0×3.0-65.0）一扇，水平進水通道前接C25混凝土固定攔污柵（4.0×20），后接取水隧洞，隧洞直徑D=3m；取水隧洞接出口弧形工作門，由工作門控制取水流量，弧形門后接消力池與灌溉渠道。

2、過流能力計算

取水建筑物的過流能力計算主要包括： 計算確定庫水位高于距其最近一層取水門底坎多高時即需開啟之下一層閘門以滿足取水需求；隧洞在死水位時在無壓流狀態時能滿足取水需求；弧形門過流能力。

1）開啟下層閘門預警水位計算如下：

采用《水閘設計規范》SL265-2001，（水閘規范P56，水力學計算手冊）

閘孔出流計算公式為：Q=бsμ0ω（2gHo）0.5

式中：Q—泄流量（m3/s）；

бs—淹沒系數；

ω—過流面積；

μ0—自由出流的流量系數；

H0—包括行進流速水頭的閘前水頭（m）

以最高一層取水工作閘門為例進行計算，計算結果如下：

水位進口底板高程流量流速系數收縮系數過流面積重力加速度水頭（m）

mmQ（m3/s）φεA（m2）g（m/s2）H0

731（正常水位）72424.40.980.6753.159.87

72772415.970.980.6753.159.83

726.372414.000.980.6753.159.52.3

72672413.040.980.6753.159.82

7257249.220.980.6753.159.81

當取水工作閘門底坎以上水頭大于2.3m，取水塔每一層分層取水流量均滿足要求；當閘門底坎以上水頭小于2.3m時，需開啟下一層閘門進行取水。

2）隧洞在是死水位下過流能力計算如下：

隧洞過流計算采用下式進行計算

式中：—流量系數，0.385

B—過流斷面寬度，m

H—隧洞上作用水頭

計算結果如下：

水位進口底板高程流量流量系數過水寬度重力加速度水頭備注

mmQ（m3/s）mbg（m/s2）H0（m）

68067726.610.38539.83

在死水位下，隧洞本身的過流能力滿足取水需求，且大于取水需求，需由末端弧形門控制開度進行取水。

3）弧形門過流能力計算如下：

閘門開啟高度轉軸與落點高差弧形門半徑弧形門夾角垂直收縮系數流量系數單寬孔數流量

e（m）C（m）R（m）αεμB（m）nQ（m3/s）

0.24650.70 0.720.741 3114.0

在正常水位下，閘門局部開啟高度為0.2m時能滿足取水要求。隨著水位庫水位消落，閘門開啟高度相應調整。

3、取水塔基礎穩定應力計算

取水塔連基座總高為63.9m，將其基礎置于強風化砂巖底部～弱風化砂巖頂部，該部位基礎承載能力為1.2～1.5Mpa。穩定應力計算結果如下。出口弧形門也做了相應的穩定應力計算，未列于本文中。

1）取水塔抗滑穩定計算公式：

式中：k—按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；

ΣW—豎向力總和；

ΣP—水平向力總和；（下轉第頁）

（上接第頁）

f′—閘室基底面與地基之間的抗剪斷摩擦系數；

c′—閘基砼與基巖接觸面的抗剪斷凝聚力；

A—閘室與基巖接觸面的面積。

2）取水塔基座截面的垂直應力計算公式：

σy ------壩踵、壩趾垂直應力，kPa

W------鉛直荷載總和，kN

M------作用在計算單元的全部荷載對基底面垂直水流方向形心軸的力矩，kN·m

A--------基底面面積，m2

B--------基底長度，m。

經計算，取水塔抗滑及基底應力結果如下：

計 算 工 況計算抗滑

安全系數

k計算抗浮

安全系數

k允許

安全

系數

上游基底應力（MPa）備 注

下游

基本完建>5>53.00.6940.657容許應力

[α]=

1.2～1.5MPa

正常水位>51.703.00.3770.423

特殊

組合檢修情況>51.392.50.310 0.142

校核洪水位>51.652.50.365 0.417

盡管塔身較高，但由于上部塔身布置工作門對空間的需求，基礎底座尺寸較大，從而也起到了擴大基礎的作用，整個結構的基底應力仍在基巖承載能力范圍之內，結構是可行的。

4、結構設計反思

由于取水塔整體形狀為圓形，在控制工況檢修工況（取水塔內無水）下受力情況較好，結構配筋較小；但因為閘門在圓形結構上開孔較多，造成了局部應力集中，塔身需要進行局部應力計算，加大配筋，一定程度上喪失了圓形結構的優越性。

由于每層取水門呈螺旋形布置于塔身的不同高層，導致每隔一段高程塔身結構就要發生變化，導致鋼筋布置相對復雜；根據金屬結構專業的要求：水庫運行過程中，不同高程的門需要檢修時應有可靠的方式到達該閘門，但由于塔外形為圓形，每層取水門高差為8m（7m），在布置跑梯時很不方便，若設置垂直鋼爬梯，總共塔高51.40m，維護人員上下交通極不方便，存在安全隱患；同時，由于塔身采用圓形結構，上部啟閉閘房的建筑部分也采用了圓形結構，圓形結構擁有較為漂亮的外觀，但是在設計和施工上相對較難、不便捷。相較本工程的設計，伸縮式套筒門取水建筑物的水工結構為排架結構，結構簡單，結構受力明晰，施工圖設計較快捷，施工也較方便；采用套筒鋼閘門，金結專業沒有塔身上的交通要求，因此不需要在塔身上布置上下交通樓梯；門葉結構也簡單，自重輕，鋼材用量小。

白巖灘取水建筑物中即便對隧洞出口孔口進行了壓坡以減小閘門孔口尺寸，在正常工作情況下，出口弧形門需要長期小開度局開進行取水，這種情況下可以考慮將出口弧形門改設為錐形閥門。

5、結語

白巖灘取水建筑物工程已全部施工完畢，盡管圓形塔身及多層取水門在施工過程中給建設單位的施工水平帶來了一定程度的挑戰，但該施工仍能順利開展，建筑物本身也能滿足工程需求。在今后的設計工作中，初期設計分層取水建筑物結構形式時，應盡量考慮在滿足取水要求的前提下，金屬結構的檢修及施工方便安全。雖然白巖灘水庫取水建筑物的設計尚有需改進的地方，但是正是這些從設計及施工中獲得的經驗，讓我們在將來的設計中能考慮得更周全，設計出更好的水工建筑物。